【導讀】直流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通的重要組成部分，供電的安全與可靠是城市軌道交。通系統(tǒng)正常運行的保證。城市軌道交通短路故障的分析計算與仿真是提高牽引供電系統(tǒng)安。全運行能力及相關(guān)保護與控制技術(shù)的基礎(chǔ)。本文利用Matlab/Simulink工具對當前城市。脈波整流機組呈現(xiàn)出更好抑制11、13次諧波的性能。在所建立模型的基礎(chǔ)上，對采用。DC1500V接觸線供電的地鐵線路進行了不同點發(fā)生短路故障的仿真與分析。生短路故障時不是一座變電所供給短電流，而是由全線相連的變電所供給短路電流。模等的精確程度，都會對仿真得出的短路電流的上升率和幅值產(chǎn)生很大的影響。的調(diào)整提供理論依據(jù)。

　　

【正文】 +R 1R 421R 3ρ 2R 2I 2I 1 圖 336 雙邊供電等效電路圖 按圖 336 網(wǎng)孔 2 列回路方程： 回路 1： I1 R11=U （ 13） 回路 2： I2 R22 =U （ 14） 111 RUI ? （ 15） 222 RUI ? （ 16） 華東交通大學畢業(yè)設(shè)計 15 21 IIIK ?? （ 17） ○ 2 考慮對側(cè)接觸網(wǎng)的影響，等效電 路圖如圖 337，圖 338 為等效變換后所得。 +Uρ 1I k ∑U+R 1R 4R 3ρ 2R 2I K 2I K 1R 5I ρ 1 I ρ 2 圖 337 雙邊供電等效電路圖 +Uρ 1I kU+r 1R 4ρ 2r 2R 5I 1 I 2r 312 圖 338 雙邊供電網(wǎng)絡(luò)變換圖 按圖 338 網(wǎng)孔 2 列回路方程 回路 1 UrIRI ?? 32111 (18) 回路 2 UrIRI ?? 31222 (19) 解得： 33222311111rRrrRR UI???? (20) 33221112 rR rRII ??? (21) 21 IIIk ?? (22) 式中 11R —— 回路 1 自阻， 431111 RrrR ???? ? （ ? ） 。 R22—— 回路 2 自阻； R22 = 4321 RR ??? ?? （ ? ）； ○ 3 考慮相鄰兩側(cè)牽引變電所影響 —— 正常雙邊供電。 等效電路圖見圖 339，網(wǎng)路變換后見圖 340； 陸學文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 16 R 2+Uρ 2U+ρ 1R 6R 8R 431 2R 7+Uρ 3R 3U+ρ 44I 3I K 3I K 1R 1R 5 R 9I K 2 I 4I ρ 2I ρ 1I K ∑ 圖 339 考慮相鄰牽引變電所等效電路圖 r 2+Uρ 2U+ρ 1R 6R 8R 431 2R 7+Uρ 3U+ρ 44I 3I 1r 1R 5 R 9I 2 I 4I ρ 2I ρ 1I K ∑r 3 圖 340 考慮相鄰牽引變電所網(wǎng)絡(luò)變換電路圖 按圖 10 網(wǎng)孔 4 列回路方程 回路 1 ： UIrIRI ??? 1332111 ? (23) 回路 2 ： UIrIRI ??? 2431222 ? (24) 回路 3 ： 011333 ?? ?IRI (25) 回路 4 ： 022444 ?? ?IRI (26) 由式 2 2 2 26 得 4422322333213113321111)(RrRrRrRRRUI?????????? 。 華東交通大學畢業(yè)設(shè)計 17 4422322332131112RrRRrRII ??????? 。 33113 RII ?? 。 44224 RII ?? 。 21 IIIk ?? . 式中： 431111 RrrR ???? ? ； 532222 RrrR ???? ? ； 716233 RR ???? ??。 498244 ?? ???? RRR . ? — Y 變換：321311 RRR RRr ??? 。 321322 RRR RRr ??? 。 321213 RRR RRr ??? . 本文計算短路電路時直接用 21 IIIk ?? ，會比采用變換前電路計算所得電流稍大。 （ 3） .短路實例計算 采用 1500V 正常雙邊供電方式，考慮相鄰兩側(cè)牽引變電所的影響見圖 339。供電距離均為 3km，在距離 1 變電所 ，其中走行軌電阻 :? /km，接觸軌電阻：? /km，牽引變電所內(nèi)阻： ? =? （雙機組并聯(lián)）進行短路電流 kI 和個變電所供出電流的計算。（牽引變電所內(nèi)阻和等效電源的計算方法在 節(jié)已作分析，這里所取數(shù)據(jù)為平均值，參考文獻 [2] ） 對應(yīng)圖 339 和圖 340 可以得出： 4321 ???? ??? =? 321311 RRR RRr ??? =? ； 321322 RRR RRr ??? =? ； 321213 RRR RRr ??? =? 。 431111 RrrR ???? ? =+++=? ； 532222 RrrR ???? ? =+++=? ； 716233 RRR ???? ?? =+++=? ； 498244 ?? ???? RRR =+++=? ； 根據(jù)以上數(shù)據(jù)和推算公式計算得到 I1 =39700A 陸學文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 18 2I = 3I = 4I =467A kI =I1 + 2I = 所以變電所 3 提供的短路電流 3dI = 3I =。變電所 1 提供的短路電流1dI = 31 II? =。變電所 2 提供的短路電流 422 IIId ?? =。變電所 4 提供的短路電流 44 IId ? =467A. 短路初始時刻電流集中在鋼軌的邊緣，因為軌道的阻抗是不斷導致電阻比穩(wěn)態(tài)值大，電感比穩(wěn)態(tài)值小。隨著時間的推移導體有效集膚深度逐漸變大，電阻逐漸減小而電感逐漸增大 [11]。在直流牽引系統(tǒng)中，發(fā)生近端短路故障時產(chǎn)生很大的暫態(tài)沖擊電流，暫態(tài)過程受交直流系統(tǒng)參數(shù)及整流器換閥過程影響很大，必選考慮詳細的交直流計算模型，隨著故障距離的增大暫態(tài)沖擊現(xiàn)象逐漸消失，故障電流的暫態(tài)過程出現(xiàn)類似于指數(shù)曲線變化過程，遠端短路故障時暫態(tài)過 程受軌道電氣參數(shù)變化的影響，必須考慮牽引網(wǎng)軌道暫態(tài)電氣參數(shù)的暫態(tài)變化。 本章小結(jié) 本章首先分析計算了牽引所中變壓器的參數(shù)和對牽引網(wǎng)的阻抗計算方法進行了分析。軌道電氣參數(shù)的計算分為三部分進行分析 :暫態(tài)電阻、暫態(tài)內(nèi)電感和外電感。計算鐵軌的暫態(tài)內(nèi)阻抗時，主要考慮集膚效應(yīng)的影響，對于具有不規(guī)則橫截面的鐵軌，考慮集膚效應(yīng)計算它的阻抗是很困難的，常用的做法是采用等效圓柱形導線模型發(fā)進行分析。然后本文對各種供電方式下的穩(wěn)態(tài)短路電流進行了建模分析，并給出了計算公式和實例計算。最后對暫態(tài)短路電流進行了闡述。 華東交通大學畢業(yè)設(shè)計 19 第 4 章 直流短路故障仿真模型 在 MATLAB 一 simulink 的環(huán)境下對等效 12/24 脈波牽引移相整流電路進行仿真，文中的模型就是基于 版本中的電力系統(tǒng)工具箱 (simPowersystems)建立的。仿真時為簡化模型我們做如下假設(shè) [20]:(l)交流側(cè)三相電壓平衡，忽略交流側(cè)諧波電壓畸變對整流機組運行模式的影響 。(2)忽略整流機組換向電阻，其換向電抗三相平衡 。(3)橋 橋 2 兩臺變壓器間無禍合連接 。(4)忽略二級管電壓降 。(5)整流機組運行在正常模式下。 12 脈波 牽引整流供電電路仿真模型 12 脈波整流電路仿真模型 根據(jù)上述 12 脈波整流電路原理，在 Matlab/Simulink 環(huán)境下建立 12 脈波整流電路真模型，如圖 4 一 11 所示。三相電壓源通過三相三繞組△ /Y 一△變壓器，可得到幅值相等、相角相差 030 線電壓，副邊輸出到兩并列連接整流器。整流器輸出再并聯(lián)連接后接到負載端，構(gòu)成 12 脈波整流電路仿真模型，單個整流二極管輸出 6 脈波。圖中 ini1 測量輸入電壓， i outv outv2 分別測出整流輸出電流、負載端電壓、整流器輸出電壓。 圖 4 一 11 等效 12 脈波供電整流電路仿真模型 模型參數(shù)設(shè)置如下： 一次側(cè)電源的短路容量為 100MVA，初相角為 0,頻率 50HZ； 變壓器采用軸向雙分裂式三繞組整流變壓器，額定容量 3450kVA，一次側(cè)額定電壓 35kV，二次側(cè)額定電壓 1180V/1180V； 三相二級管整流橋參數(shù)設(shè)置 :使用默認值 。 RLC 為負載參數(shù) 。 仿真時間設(shè)為 ，數(shù)值算法采用 ode23tb(siff/TR 一 BDF2）。 6 脈波整流電路空載分析 圖 4 一 11 的 12 脈波整流電路仿真模型中單個整流二極管輸出為 6 脈波，通過仿真得陸學文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 20 到如下圖 4— 12 和圖 4— 13 所示的空載輸入電流和輸出電壓的頻譜分析圖。 圖 4— 12 6 脈波整流空載輸入電流及其頻譜圖 圖 4— 13 6 脈波空載輸出電壓及其頻譜圖 分析從 Powergui模塊中采集到的輸入電流、輸出電壓波形與諧波含量，如圖上圖所示。圖中上坐標系所示的部分為電流（電壓）的波形，橫軸表示時間 (s)，縱軸為電流 /A(電壓大/V)。下坐標系所示部分為電流（電壓）的諧波總含量與各次諧 波的含量，橫坐標軸表示的是波形諧波的次數(shù)，縱坐標軸則表示的是各次諧波與輸出的基波分量之間比值的百分數(shù)。從圖中可以看出各次諧波的含量都比較低， 7 次諧波含量較大。輸出的電壓波形脈動也很小，一個正弦周期之內(nèi)有 6 個脈動。電流總諧波含量 (THD)約為 %，輸出電壓總諧波含量 (THD)約為 %輸出波形中諧波的次數(shù)基本上以 6k? 1(k=l， 2， 3，? )次為主。 12 脈波整流電路空載分析 根據(jù)圖 4 一 11 的仿真模型 我們得到 12 脈波整流空載輸入電流及其頻譜分析見圖 414，空載輸出電壓見圖 415。 華東交通大學畢業(yè)設(shè)計 21 圖 414 12 脈波整流空載輸入電流及其頻譜圖 圖 415 12 脈波空載輸出電壓及其頻譜圖 陸學文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 22 從圖中可以看出各次諧波的含量都較低， 1 13 次諧波含量較大。輸出的電壓波形脈動較小，一個正弦周期之內(nèi)有 12 個脈動。電流總諧波含量 (THD)約為 %，占 6 脈波諧波含量的 75%左右；輸出電壓總諧波含量 (THD)約為 %，占 6 脈波諧波含量的 25%左右，其輸出波形中諧波的次數(shù)基本上以 12k? 1(k=l， 2， 3，? )次為主。 24 脈波牽引整流供電電路仿真模型 24 脈波整流電路仿真模型 等效二十四脈波牽引整流變壓器是由兩臺十二脈波整流變壓器并聯(lián)組成。十二脈波整流變壓器的電源側(cè)繞組采用延邊三角形接線，使每個牽引變電所內(nèi)并聯(lián)運行的兩臺十二脈波整流變壓器的原邊繞組分別移相 + 和一 。，兩臺十二脈波整流變壓器一次側(cè)并聯(lián)在同一電網(wǎng)中，二次側(cè)線電壓相同，相位相差 15“，分別連接兩組三相全波橋式整流電路，其兩組低壓繞組相位相差 300 。圖中 ini ini2 測出電源 A、 B 的輸入電流； scope2 從上到下一次顯示模型整流后的輸出電流、負載端電壓、模型輸出電壓。 圖 4 一 21 等效 24 脈波供電整流電路仿真模型 模型圖 4 一 21 參數(shù)設(shè)置如下： 三相對稱交流電壓源 (A、 B、 C)其幅值為 16KV、頻率 50HZ、相位分別為 0 、 0120? 、 0120 。 三相移相變壓器參數(shù)設(shè)置 :兩臺三相移相變壓器的次級繞組分別采用 De1ta(Dll)、 Delta(Dl)接線方式，同時將移相角度設(shè)置成 + 與一 。 三相整流變壓器參數(shù)設(shè)置 :兩臺三相整流變壓器均采用三繞組三相變壓器，一